ASIGNATURA: MAQUINAS HIDRAULICAS

DOCENTE: Ing. José Morales Valencia

BIBLIOGRAFIA

1. Hidráulica aplicada……………………………… H. Addison2. Curso de Maquinas Hidráulicas……………… Miguel Reye Aguirre3. Mecánica de Fluidos y Maquinas Hidráulicas…. C. Mataix4. Turbomáquinas Hidráulicas……………………… Polo Encinas.5. Fundamentos de la Hidráulica……………………. Paschal Silvestre.

MAQUINAS HIDRÁULICAS (TURBOMAQUINAS)

DEFINICION.- Es una maquina que recibe energía y transfiere energía a un fluido que fluye continuamente, gracias a la acción dinámica de una o varias hileras de alabes móviles, la palabra “turbo” es de origen latino y significa algo que gira.

Una maquina hidráulica es un transformador de energía, esto es, recibe energía mecánica que puede proceder de un motor eléctrico, térmico, etc., y la convierte en energía que un fluido adquiere en forma de presión, de posición, o de velocidad.

Otra definición puede ser: máquina hidráulica (bomba), es un dispositivo empleado para elevar, transferir o comprimir líquidos y gases. En todas ellas se toman medidas para evitar la cavitación (formación de un vacío), que reduciría el flujo y dañaría la estructura de la bomba

Es conveniente no confundirse con la función que realiza una turbina, ya que la turbina realiza una función inversa al de una bomba, esto es, transforma energía de un fluido en energía mecánica.

IMAGENES DE MAQUINAS HIDRAULICAS

Bomba Prensa elevador

CLASIFICACIÓN DE LAS MÁQUINAS HIDRÁULICAS

Se clasifican en:

I.- Por el sentido de la transferencia de Energía

a) Motoras: la energía es entregada por el fluido a la máquina, y esta entrega trabajo mecánico. La mayoría de las turbomáquinas motoras son llamadas "turbinas", pero dentro de este género también entran los molinos de viento. Posteriormente la energía mecánica puede ser transformada en otro tipo de energía, como la energía eléctrica en el caso de las turbinas eléctricas.

Una Turbina

b) Generadoras: la energía es entregada por la máquina al fluido, y el trabajo se obtiene de este. En este género entran las bombas, sopladores, turbocompresores, ventiladores, y otros.

Una bomba

II.- Por la dirección del flujo en el rotor

a) M. Radial: Si la trayectoria que sigue el fluido es principalmente normal al eje de rotación (centrífugas o centrípetas según la dirección de movimiento).

b) M. Axial: Cuando la trayectoria del fluido es fundamentalmente paralelo al eje de rotación.

c) M. Tangencial: Flujo tangencial al eje de rotación

Turbina Pelton, ésta es una turbomáquina tangencial de admisión parcial.

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III.- Por el tipo de fluido que manejan

a) Térmicas: Cuando el cambio en la densidad del fluido es significativo dentro de la máquina, como en compresores, varia de volumen especifico y de peso especifico.

b) Hidráulicas: Cuando el cambio en la densidad del fluido no es significativo dentro de la máquina, como en bombas o ventiladores, no varía sensiblemente de peso especifico ni de su volumen especifico.

IV.- Por la variación de la presión atreves del rotor

a) Acción: no existe un cambio de presión en el paso del fluido por el rotor. ( pelton)

b) Reacción: existe un cambio de presión en el paso del fluido por el rotor. (Francis, Kaplan)

V.- Por el tipo de admisión

a) Total: todo el rotor es tocado por el fluido de trabajo.

b) Parcial: no todo el rotor es tocado por el fluido de trabajo.

Elementos de las turbomáquinas

Una turbomáquina consta de diversas partes y accesorios dependiendo de su tipo, aplicación y diseño. Por ejemplo un ventilador puede ser una turbomáquina que sólo conste de un árbol, motor, rotor y soporte, mientras que un compresor centrífugo o una bomba semi-axial puede tener muchas partes que incluso no comparta con las demás turbomáquinas existentes. Sin embargo, la mayoría de las turbomáquinas comparten el hecho de tener partes estáticas y rotativas; y dentro de estos conjuntos puede haber diversos elementos los cuales muchas turbomáquinas comparten y una enumeración competente puede ser la siguiente:

Una turbina Kaplan, ésta es una turbomáquina motora hidráulica de flujo axial. Véase en rojo las partes rotativas entre las que se encuentra un Generador eléctrico en este caso.

I. Partes rotativas

a) El rotor.- (disco + alabes) es el corazón de toda turbomáquina y el lugar donde aviene el intercambio energético con el fluido. Está constituido por un disco que funciona como soporte a palas, también llamadas álabes, o cucharas en el caso de las turbinas Pelton. Los tipos de rotores pueden ser axiales, radiales, mixtos o tangenciales, para su fácil identificación y distinción se hace uso de representaciones por proyección específicas.

Rotor Radial. Rotor Axial.

b) Eje o árbol de transmisión.- Tiene la doble función de trasmitir potencia (desde o hacia el rotor) y ser el soporte sobre el que yace el rotor. En el caso de las turbomáquinas generadoras éste siempre está conectado a alguna clase de motor, como puede ser un motor eléctrico, o incluso una turbina como es común en los turborreactores.

Rotor de una turbina

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II. Partes estáticas

a) El Estator.- Es el conjunto de todas las partes estáticas de la turbomáquina.es el instrumento estático que proyecta el fluido hacia el rotor, sus partes son los sistemas de alabes estáticos.

b) Los Álabes directores.- Llamados palas directoras, son álabes fijos al estator, por los cuales pasa el fluido de trabajo antes o después de pasar al rotor a realizar el intercambio energético. Muchas turbomáquinas carecen de ellos, pero en aquellas donde si figuran éstos son de vital importancia.

c) Cojinetes, rodamientos.- Son elementos de máquina que permiten el movimiento del eje mientras lo mantienen solidario a la máquina, pueden variar de tipos y tamaños entre todas las turbomáquinas.

Estator de una turbina

III. La carcasa.- Es la que contribuye como soporte, cubre al rotor y permite aumentar la presión.

Carcasa o espiral voluta de una turbina

CRITERIO DE SEMEJANZA EN TURBOMAQUINAS

Las consideraciones generales de semejanza hidráulica aplicadas a las turbomáquinas, intentan describir el funcionamiento de una máquina dada, por comparación con el funcionamiento experimentalmente conocido de otra máquina modelo, o bien de la misma máquina bajo condiciones de operación algo modificadas tales como un cambio de velocidad de rotación o en el salto.Para que la predicción del comportamiento de una máquina de tamaño natural (prototipo) a partir de los ensayos realizados con un modelo sea válida, exige en general 3 condiciones:

1- Semejanza Geométrica2.- Semejanza Cinemática3.- Semejanza Dinámica

1.- La Semejanza geométrica.- El modelo y prototipo son geométricamente semejantes, es decir sea proporcional en todas sus direcciones, esto exige que se conserven todos los ángulos y dirección del flujo, la relación geométrica de escala entre modelo y prototipo en forma general será:

D2m /D2p = D1m / D1p = b2m /b2p = λ2.- La Semejanza cinemática.- En un punto homólogos de modelo y prototipo, los diagramas de velocidades obligatoriamente deben de ser semejantes y en particular en la entrada y salida del rodete.

β2m = β2p (ángulos iguales)

Zm = Zp ( número de alabes iguales)

3.- Semejanza Dinámica.- Se cumple dicha semejanza cuando en prototipo y modelo, para puntos homólogos, los diagramas de fuerza son proporcionales, dado que la principal fuerza es la viscosidad, esto es equivalente a decir que en modelo y prototipo el NÚMERO DE REYNOLD debe de coincidir.

Rep = Rem

NR = v D ρ / μ (Número de Reynolds) , donde: v = velocidad del flujo D = diámetro del rotor ρ = densidad del fluido µ = viscosidad dinámica

NE = v2 ρ / p (Numero de Euler) donde: v = velocidad del flujo

P = presión del flujo ρ = densidad del fluido

4.- Ley de semejanzas de las bombas Hidráulicas (son 6)

3ra Ley.- Las potencias son directamente proporcionales a los cubos de los números de revoluciones.

P1 / p2 = (N1 / N2)3 donde: P = potencia de la bomba

N = velocidad de giro

CIFRAS ADIMENCIONALES EN TURBOMAQUINAS

Q = caudal ( L3 T-1 )

H = altura (L)

N = velocidad de rotación (T-1 )

V = velocidad (L T-1 )

D = diámetro ( L)

ρ = densidad ( L-4 F T2 )

μ = viscosidad absoluta ( F T L-2 )

CIFRAS CARACTERISTICAS

a) Número especifico de revoluciones de Caudal (Nq)

Nq = N ⌠ Q⌡1/2 / H3/4 donde: Q = caudal H = altura manométrica

b) Número especifico de revoluciones de Potencia (Ns)

Ns = N ⌠P⌡1/2 / H 5/4 donde: P = potencia útil H = altura manométrica

c) Cifra de caudal (Q)

Q = 4 Q / U л D2 donde: Q = caudal U = velocidad circunferencial D = diámetro Л = 3,1416

d) Cfra de Presión (φ)

φ = 2 g H/ U2 donde: g = gravedad

H = altura manométrica

U = velocidad circunferencial.

PROBLEMAS:

1. El flujo de una turbina se estudia en un modelo a escala λ = 1 / 10, empleando aire en ves de agua.

a) Cuál será la relación entre velocidades.b) Cuál es la relación entre presiones.c) Que relación de gastos debe adoptarse para obtener condiciones dinámicamente

semejantes.Considere: υ aire = 1,21 x 10-5 pie2 / seg υ agua = 1,58 x 10-4 pie2 / seg ρ aire = 0,0237 slugs / pie3.

2. En un canal rectangular el agua fluye con una velocidad de 3 m / seg y con una altura de agua de 60 cm, en cierto punto se produce un resalto cambiando bruscamente la altura a 80 cm, ¿Cuál debería ser la velocidad del flujo en otro canal geométricamente similar, donde la altura de agua es de 1,20 m, antes del resalto para obtener que la altura después del resalto sea de 1,60 m.

3. Si se construye un modelo reducido de una bomba de agua a escala 1/5, siendo 1000 rpm la velocidad de giro del prototipo, el ensayo del modelo se hace también con agua, (υm = υP ), hallar la velocidad de giro del modelo.

4. Una bomba centrifuga girando a 500rpm, proporciona un caudal de agua de 1800 L/mto, a una altura manométrica de 5 m, calcular la velocidad a que debe de girar una bomba geométricamente semejante a la anterior que diera la mitad de caudal, con una altura manométrica de 10 m.

5. Una turbina Francis ha dado en el banco de pruebas en el punto del óptimo rendimiento, las siguientes características: Hm = 5 m. Q = 1,5 m3 / seg N = 200 rpm. P = 75 CV. D1 = 750 mm.Calcular:

a) El rendimientob) El número específico de revoluciones de potencia de esta turbina.c) Se instala la turbina en un salto neto de 15 m, determinar la velocidad de giro.

6. En un laboratorio se ensaya un modelo de turbina de 400 mm de diámetro, obteniéndose el mejor rendimiento, que3 es el de 70%, para una velocidad de 1500 rpm con un salto de 10 m, y se instala en un salto de 15 m. calcular:

a) La velocidad a que cobiene que gire el prototipob) La potencia del prototipo

FIN